CN103624357B - 一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法 - Google Patents
一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于金属连接领域，具体涉及一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法。本发明提供的一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法通过将低碳钢试样打磨、洗净后预热，利用加热板将试样加热到240℃～260℃，将混合钎剂布撒到母材打磨后的焊接位置，同时将钎料持续送入焊接位置的熔化液滴中，将浸镀过焊锡的紫铜导线直接插入低碳钢试样焊接位置的焊锡液滴，润湿形成完整的接头，待液滴完全凝固后，可静置冷却至室温得到。本发明提供的连接方法相较于传统焊接方式，具有设备简单、原料简单、工艺简便、焊接温度低等优点。利用本发明提供的连接方法得到的焊接接头具有电阻率低，接头的可重复性好的优良性能。
Description
【技术领域】
本发明属于金属连接领域，具体涉及一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法。
【背景技术】
为了研究金属材料，尤其是碳钢等黑色金属材料的电化学腐蚀过程发生的原因及规律，常采用电化学腐蚀试验，进行极化曲线测量。一般需用石蜡对试样进行蜡封，在试样上留出1cm2面积进行测试，此外，试样还需采用导线与电化学工作站进行连接，连接接头金属的暴露位置同样需要进行蜡封。
在对碳钢等铁基材料进行制样的过程中，往往需要将铁基材料与紫铜导线进行连接。在金属连接过程中，尤其是在非承载结构的连接中，常常采用钎焊进行连接。钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。既能够保证接头质量，又能够保证连接工艺基本不影响母材性能。目前常用的连接方式除焊接外，还存在压接、钻孔等连接方式。压接则主要依靠机械力对试样间进行材料的物理连接，其电阻率往往由于压接力的不同、卡具不同而存在较大差异，从而导致极化曲线的差异；钻孔连接同样存在重复性差、连接电阻率不稳定等缺陷。因此，采用焊接方式，最为可靠，而钎焊由于其设备小巧、连接稳定、连接头电阻率低等优势，成为最为适宜导通接头的连接方式。
美国焊接学会（AWS）规定，当钎料液相线温度高于450℃，属于硬钎焊，低于450℃，则属于软钎焊，而我国一般以350℃作为分界线。对于碳钢等材料连接，通常采用电弧焊、硬钎焊进行连接，此类连接方法焊接温度高，热影响区大，而且往往由于热源温度高，导致试样的烧蚀和涂层的破坏等。此外，由于热影响，还会造成晶粒长大、组织变化等现象，对测量材料的极化曲线的准确度造成一定影响。
针对碳钢母材，其相转变最低温度为727℃，因此，焊接过程若想基本不影响母材性能，应保证焊接温度低于727℃。因此若采用钎焊连接碳钢基体与紫铜导线，应满足焊接温度低于727℃。此外，碳钢材料的再结晶温度一般在0.4Tm，以Q235钢（A3钢亦属此类）为例，其碳含量在0.2左右，其熔点温度为1500℃左右（1495～1538℃），则再结晶温度在600℃左右，在此温度以下则不易出现新的等轴晶。
异种材料焊接以Cu母材与碳钢母材为例，如采用钎焊，则需钎料与两种母材均能润湿，并发生反应，生成化合物。现在针对上述两种母材，多采用电弧焊或硬钎焊方法。如《现代焊接》碳钢与紫铜的焊接工艺研究中，记述了采用Ag50CuZnCd钎料进行钎焊，钎焊温度＞800℃；此外，还有采用H62黄铜钎料进行焊接的。但上述钎料均为硬钎焊，不能满足保持原有母材相和组织的要求，若要保持碳钢组织，应将钎焊温度降低到600℃以下。而采用软钎焊则更为合适。但目前，仅铜基、镍基等材料可通过软钎焊进行连接。而碳钢与铜的软钎焊连接未见报道。
【发明内容】
为克服上述碳钢与紫铜通过传统工艺焊接过程中存在的不足，本发明提供了一种低温连接碳钢与紫铜异种材料的方法，降低了接头电阻率以及连接工艺对于母材的热影响，保证接头的良好性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法，包括制样和测试步骤，其中制样包括将试样与导线的低温连接，其中低温连接包括下述步骤：
1）.备样：将净化打磨后碳钢试样烘干后用电热板将碳钢试样预热并保持在240℃～260℃，并于碳钢试样上布撒混合钎剂和钎料；碳钢试样的上下表面为平行面，碳钢试样打磨的粗糙度为3.2微米以下。
2）.焊接导线：将经浸镀处理的紫铜导线同经步骤1）处理的碳钢试样接触，冷却至室温，即得。
本发明提供的一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法中，碳钢母材的碳含量≤0.3%；采用的混合钎剂的熔点为180℃～249℃，混合钎剂由ZnCl2和NH4Cl组成，混合钎剂中NH4Cl的质量百分比为16%～26%；钎料为软钎料中的Sn钎料或Sn-3.5Ag。
本发明中先将碳钢母材切割成块体或薄片试样（如直径为5mm～20mm的圆柱或长方体试样，薄片试样亦可）以满足电化学试验应用，将试样上下表面加工为平行面，须将试样焊接位置打磨为表面粗糙度3.2微米以下，可单个试样加热或小批量试样加热；焊接前，应将电热板表面清理干净，无残渣、液体或易挥发物残留。随后进行预热；首先，将电热板预热到232℃以上温度，采用的加热板的控温精度为1℃，减少了在加热过程中温度骤变对整个母材的影响，使得钎料持续熔化并充分润湿母材，保证了最终焊接头具有良好的性能；并保证母材具有一定的过热度，根据相图可知，当Sn的加热温度达到232℃以上10～15℃便可出现液相，熔化后的Sn可与母材迅速反应。母材金属中的Fe与Sn生成FeSn和FeSn2两种成分固定的稳定化合物，利用这一原理，可以满足Fe相与FeSn（FeSn2）相与Sn相的稳定过渡，即满足Sn与铁基母材的润湿，并形成分子结合。最终形成稳定的接头。钎料的选择上，较软钎料中的铅基、锌基等钎料而言，纯Sn或Sn-3.5Ag的使用，使得最终制得的接头在性能上更优良。
由于无防护（覆盖层、气氛）的Fe基材料在加热中极易氧化，故而温度不宜过高，当温度超过200℃即会发生明显氧化。在抛光的焊接位置出现棕黄色氧化层，随加热时间延长或温度升高，氧化量逐渐增大。焊接过程中，可用红外测温仪测量试样温度，当试样温度达到232℃以上温度并保证一定过热度后，将助焊剂添加到母材焊接面上，同时用焊锡丝直接接触铁基母材焊接位置，待焊丝熔化，助焊剂在液态锡覆盖下逐渐清除焊接表面的氧化物，由于液态锡覆盖，阻止了助焊剂的迅速挥发，保证了助焊剂对表面的清洁作用。随着焊接表面净化以及Fe与Sn反应的完成，钎料逐渐与基体润湿，并逐渐铺展，当润湿角大于90°后，即可认为在基体Fe与钎料Sn之间生成了FeSn（FeSn2）过渡层，从而完成母材的反应，随后，可将试样从电热板上移除，在试样台静置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)设备简单：仅用电热板即可完成纯铜与碳钢的异种材料连接；
2)原料简单：所用原料均可通过市售获得，仅需ZnCl2，NH4Cl，纯Sn焊锡丝；
3)工艺简便：通过现有钎料选择、焊接温度控制、钎剂配比优化即可获得良好的焊接接头；
4)焊接温度低：避免了通过硬钎焊连接带来的高温，将焊接温度控制在300℃以下，热影响区小，远低于碳钢的退火温度，对母材微观组织及性能影响小；
5)焊接接头性能优良：得到的焊接接头电阻率低，接头的可重复性好。
【具体实施方式】
实施例1
母材采用Q235碳钢，切割为直径10mm，高度10mm圆柱，紫铜导线直径1mm，钎料采用纯Sn钎料进行焊接，钎剂采用“松香”进行助焊，钎剂的熔点温度为：135℃。首先将试样加热到245℃，将钎剂布撒到母材焊接位置，同时将钎料持续送入接触位置的熔化液滴，随焊丝不断熔化，液滴逐渐变大，钎剂先于钎料熔化，随后进行导线焊接，冷却至室温，形成接头。
实施例2
母材采用Q235碳钢，切割为直径10mm，高度10mm圆柱，紫铜导线直径1mm，钎料采用纯Sn钎料进行焊接，钎剂采用ZnCl274%，NH4Cl26%，熔点温度为：180℃，首先将试样加热到235℃，将钎剂布撒到母材焊接位置，同时将纯Sn持续送入接触位置的熔化液滴，随焊丝不断熔化，液滴逐渐变大，钎剂先于钎料熔化，随后进行导线焊接，冷却至室温，形成接头。
实施例3
母材采用Q235碳钢，切割为直径10mm，高度10mm圆柱，紫铜导线直径1mm，钎料采用纯Sn钎料进行焊接，钎剂采用ZnCl284%，NH4Cl16%，熔点温度为：249℃，首先将试样加热到255℃，将钎剂布撒到母材焊接位置，同时将Sn-3.5Ag持续送入接触位置的熔化液滴，随焊丝不断熔化，液滴逐渐变大，钎料先于钎剂熔化，随后进行导线焊接，冷却至室温，形成接头。
实施例4
母材采用Q235碳钢，切割为直径10mm，高度10mm圆柱，紫铜导线直径1mm，钎料采用纯Sn钎料进行焊接，钎剂采用ZnCl290%，NH4Cl10%，熔点温度为：240℃，首先将试样加热到230℃，将钎剂布撒到母材焊接位置，同时将铅基钎料持续送入接触位置的熔化液滴，随焊丝不断熔化，液滴逐渐变大，钎料钎料均未熔化，随后进行导线焊接，冷却至室温，形成接头。
实施例5
母材采用Q235碳钢，切割为直径10mm，高度10mm圆柱，紫铜导线直径1mm，钎料采用纯Sn钎料进行焊接，钎剂采用ZnCl290%，NH4Cl10%，熔点温度为：240℃，首先将试样加热到240℃，将钎剂布撒到母材焊接位置，同时将Sn持续送入接触位置的熔化液滴，随焊丝不断熔化，液滴逐渐变大，钎剂与钎料几乎同时熔化，随后进行导线焊接，冷却至室温，形成接头。
实施例6
母材采用Q235碳钢，切割为直径10mm，高度10mm圆柱，紫铜导线直径1mm，钎料采用纯Sn钎料进行焊接，钎剂采用ZnCl284%，NH4Cl16%，熔点温度为：249℃，首先将试样加热到240℃，将钎剂布撒到母材焊接位置，同时将Sn-3.5Ag持续送入焊接位置的熔化液滴中，随焊丝不断熔化，液滴逐渐变大，钎料先于钎剂熔化，随后进行导线焊接，冷却至室温，形成接头。
实施例7
母材采用Q235碳钢，切割为直径10mm，高度10mm圆柱，紫铜导线直径1mm，钎料采用Sn3.5Ag共晶钎料进行焊接，钎剂采用ZnCl290%，NH4Cl10%，熔点温度为：240℃，首先将试样加热到240℃，将钎剂布撒到母材焊接位置，同时将锌基钎料持续送入接触位置的熔化液滴，随焊丝不断熔化，液滴逐渐变大，钎料先于钎剂熔化，随后进行导线焊接，冷却至室温，形成接头。
依据上述1～7各实施例中均对Q235碳钢打磨至表面粗糙度为3.2微米以下，先用氢氧化钠清洗，随后用丙酮清洗后烘干，预热至250℃后进行碳钢试样母材反应和与紫铜导线焊接。将1～7各实施例中的碳钢（直径10mm，高度10mm圆柱）、紫铜导线直径（1mm，长20cm）、接头组成的导体进行电阻测量，对比各实施例的导电性能，每实施例制作6组平行式样，取平均值。所得电阻结果见表1所示。
各实施例焊接结果如表1所示：
表1各实施例焊接结果
Claims (3)
1.一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法，所述低温连接包括下述步骤：
1).备样：将净化打磨后碳钢试样烘干后用电热板将碳钢试样预热并保持在240℃～255℃，并于碳钢试样上布撒混合钎剂和钎料；
2).焊接导线：将经浸镀处理的紫铜导线同经步骤1)处理的碳钢试样接触，冷却至室温，即得；
所述碳钢试样的母材的碳含量≤0.3％；
所述混合钎剂由ZnCl2和NH4Cl组成，混合钎剂中NH4Cl的质量百分比为16％；
所述钎料为软钎料；
所述软钎料为纯Sn钎料或Sn-3.5Ag。
2.如权利1所述的一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法，其特征在于：所述混合钎剂的熔点为180℃～249℃。
3.如权利1所述的一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法，其特征在于：将所述碳钢试样的上下表面加工为平行面，碳钢试样打磨的粗糙度为3.2微米以下。
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